摘要: “增容型高—低壓變頻調(diào)速集成裝置”新方案，具有高功率、高效率、高功率因數(shù)、高可靠性、低成本、低諧波、低溫升、低壓安全、省工時(shí)、省投資、省能源和省原材料等特點(diǎn)，為3～10kV 、200～3000kW中高壓電動機(jī)的變頻調(diào)速提供了一個(gè)最佳化高—低壓變頻調(diào)速方案。
關(guān)鍵詞：高—低壓；Vacon變頻器；變頻調(diào)速
Abstract:Now, invented a increasable capacity integrated installation of high/low voltage variable frequencies variable speed for high- middle voltage motor. It has feature of high power, high power factor, high reliability, low cost, low harmonic, low temperature, low-voltage safe,safing-man-hours,safing-investment, safing-energy, safing-material.It offers a optimization of high/low voltage variable frequencies variable speed for 3～10kV 、200～3000kW high-middle voltage motor.
Key Word: High/Low voltage；Vacon Inverter；Variable Frequencies Variable Speed
1 引言
琿春煤炭（集團(tuán)）公司八連城礦根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展需要，新上兩臺主扇對旋軸流風(fēng)機(jī)，一工一備。每臺風(fēng)機(jī)由兩個(gè)相對互為反向旋轉(zhuǎn)的葉輪組成了對旋結(jié)構(gòu)。在開采初期通風(fēng)參數(shù)較低，而開采中后期則通風(fēng)參數(shù)較高，必須采取調(diào)節(jié)通風(fēng)措施，以適應(yīng)井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的變化和不同時(shí)期的通風(fēng)需求，對風(fēng)機(jī)的工礦點(diǎn)進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)，在確保風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作的前提下，既能滿足生產(chǎn)對風(fēng)量和風(fēng)壓的要求，又能最大限度地節(jié)約能源。
八連城煤礦主扇采用兩臺燕京礦山設(shè)備有限公司生產(chǎn)的FBDCZ（原BDK）煤礦地面用防爆抽出式對旋軸流通風(fēng)機(jī)，兩臺風(fēng)機(jī)互為備用，風(fēng)機(jī)型號：BDK-10—NO25 防爆合格證：52025-98 防爆等級 dI 風(fēng)量：2580～8820M3/min 靜壓：1670～4510Pa 介質(zhì)密度 1.2kg/m3 電機(jī)型號：YBF-450MI-10 2×250KW 592r/min 額定電流 379A 額定電壓 500V F級絕緣 △接 允許溫升 85℃ 2006年5月生產(chǎn)。風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，風(fēng)機(jī)正常安全工作在整個(gè)煤礦系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。為適應(yīng)對旋軸流通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)調(diào)節(jié)需求，特別是電動機(jī)和變頻器增容需求，特選用鞍山市權(quán)晟電子電力有限公司制造的專利產(chǎn)品“增容型高—低壓變頻調(diào)速集成裝置”（中國專利授權(quán)號：200410021252.9）。變頻控制部分采用高質(zhì)量的Vacon變頻器，矢量控制型Vacon變頻器完全可以滿足工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用要求。使得控制系統(tǒng)可靠性高、編程簡單、易于維護(hù)。
２ 增容型高—低壓變頻調(diào)速集成裝置簡明原理
該變頻裝置由多功能變壓器T、可增容的低壓大功率變頻器F、利用普通高壓電動機(jī)改壓增容的變頻調(diào)速電動機(jī)HM＇，以及切換裝置C所集成。
本項(xiàng)目就是利用6kV、250kW、10極防爆型電動機(jī)，通過采用“中壓絕緣”和低壓接線方式，增容為280kW。又利用多功能變壓器一則提供“變頻器輸入電壓補(bǔ)償裝置”，將500kW變頻器增容為630kW，為電動機(jī)提供變頻電源；二則隔離并抑制來自變頻過程中產(chǎn)生的高次諧波；三則為電動機(jī)提供工頻電源，一旦變頻器發(fā)生故障，即可恢復(fù)工頻運(yùn)行模式。利用萬能組合開關(guān)實(shí)現(xiàn)變頻/工頻模式切換、正向/反向旋轉(zhuǎn)切換和主/備機(jī)組切換。
其電氣原理如圖1所示。
2.1 增容型變頻裝置配置
增容型高—低壓變頻調(diào)速設(shè)備選型：QSHLVF500-O6/500。數(shù)量：兩套（一工一備）。
裝置配置:
（1）多功能變壓器2臺。選用S9M-1000KVA節(jié)能型免維護(hù)全密封無油枕變壓器；環(huán)境溫度+40℃時(shí)，允許溫升55℃；兼有提供變頻電源電壓、工頻電源電壓、隔離與抑制高次諧波等多項(xiàng)功能。
（2）變頻調(diào)速電動機(jī)4臺。是利用YBF450M2-10型6kV、250kW高壓電動機(jī)高等級絕緣、內(nèi)風(fēng)冷量大的特點(diǎn)，電機(jī)為：佳木斯電機(jī)股份有限公司 隔爆型三相異步電動機(jī)型號：YBT-450MI-10 250KW 50Hz IP44 500V 379A F級絕緣 △接 cosΦ=0.808 592r/min。控制電機(jī)的變頻器采用具有開環(huán)矢量控制功能芬蘭偉肯Vacon變頻器，在電機(jī)制造過程中融入本專利技術(shù)，通過改壓增容為280kW變頻調(diào)速電動機(jī)HM′，使電機(jī)具備并超過變頻調(diào)速專用電動機(jī)的一些特性，而且比變頻調(diào)速專用電動機(jī)價(jià)格便宜 50%左右 。高壓電動機(jī)實(shí)施低壓運(yùn)行，將進(jìn)一步延長電機(jī)的使用壽命。
（3）變頻控制柜2臺。變頻單元選用世界一流產(chǎn)品, 具有開環(huán)矢量控制功能芬蘭偉肯Vacon變頻器（進(jìn)口原裝）。輸出功率由500KW增容到630KW。Vacon變頻器型號為：A臺NXP09205A0N0SSGA1A2，B臺NXP09205A0N0SSGA1A2。
（4）模式切換柜2套。由萬用開關(guān)組合而成，具有變頻/工頻切換、正向/反向切換等多種操作模式，以備特殊情況下，切換到工頻啟動—運(yùn)行模式和反向啟動—運(yùn)行模式。
（5）現(xiàn)場操作箱（盤）2個(gè)。安裝在電動機(jī)近處，面板上設(shè)有啟動和停機(jī)按鈕、多圈電位器調(diào)速旋鈕、對旋方向切換開關(guān)、電動機(jī)運(yùn)行電流和轉(zhuǎn)速數(shù)顯儀表，以及故障聲光報(bào)警器等。
2.2 增容型變頻裝置技術(shù)規(guī)格
輸入電壓：3相6kV-15%～＋10%；
輸出功率：630kW；
輸出頻率：0～50HZ；
效 率：96%以上；
功率因數(shù)：0.94以上；
電壓總諧波：小于2%（遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549—93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》針對6kV電網(wǎng)的限定值為4%，本方案業(yè)經(jīng)東北電力諧波站多次現(xiàn)場測試，僅為1.1%～1.3%）；
啟動模式：變頻軟啟動，啟動電流不超過額定電流；
運(yùn)行模式：變頻/工頻切換，正向/反向切換；
控制模式：一臺變頻裝置同步對旋驅(qū)動主扇軸流風(fēng)機(jī)兩臺電動機(jī)，即“一拖二”模式；
系統(tǒng)控制：為PLC、DCS、FCF等系統(tǒng)控制留有數(shù)字量和模擬量接口；
變頻柜外形尺寸：
2200（高度）+2000（寬度）+800（厚度）mm。
工頻切換及正反轉(zhuǎn)切換柜外形尺寸：
2200（高度）+2800（寬度）+800（厚度）mm。
變壓器外形尺寸：
1780（長度）×1040（寬度）×1720（高度）mm，軌距：820mm。
電動機(jī)型號：YBF450M2-10；輸出功率由250kW增容到280kW。
3．系統(tǒng)工作原理概述
主扇采用兩臺防爆對旋軸流通風(fēng)機(jī)，兩臺對旋軸流通風(fēng)機(jī)互為備用。每臺對旋軸流通風(fēng)機(jī)又是由兩臺風(fēng)機(jī)相對安裝構(gòu)成，控制時(shí)每一臺對旋軸流通風(fēng)機(jī)的兩臺風(fēng)機(jī)要求轉(zhuǎn)速一致，變頻控制時(shí)同時(shí)起動和停止，工頻控制是分別起動。控制電機(jī)的變頻器采用具有開環(huán)矢量控制功能的芬蘭偉肯Vacon變頻器，用兩臺變頻器分別控制兩臺防爆對旋軸流通風(fēng)機(jī)，采用一臺變頻器同時(shí)拖動對旋軸流通風(fēng)機(jī)的兩臺電動機(jī)方式。
平時(shí)工作時(shí)A臺對旋軸流通風(fēng)機(jī)變頻控制旋轉(zhuǎn)，B臺對旋軸流通風(fēng)機(jī)備用。每臺對旋軸流通風(fēng)機(jī)又分別具有工頻、變頻控制功能，工頻控制為變頻控制備用。當(dāng)Ａ臺對旋軸流通風(fēng)機(jī)變頻控制維護(hù)時(shí)起動備用的B臺對旋軸流通風(fēng)機(jī)變頻控制。當(dāng)A、B兩臺對旋軸流通風(fēng)機(jī)變頻控制同時(shí)維護(hù)時(shí)，起動A臺對旋軸流通風(fēng)機(jī)工頻控制工作，用風(fēng)門控制通風(fēng)量，當(dāng)A臺對旋軸流通風(fēng)機(jī)工頻控制也同時(shí)需要維護(hù)時(shí)，起動B臺對旋軸流通風(fēng)機(jī)工頻控制工作。通過風(fēng)機(jī)互備確保通風(fēng)安全。
3.1 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
每臺防爆對旋軸流通風(fēng)機(jī)要求具有兩種控制方式：機(jī)旁的直接頻率控制和上位機(jī)的集中PID控制。每臺防爆對旋軸流通風(fēng)機(jī)具有變頻控制和工頻控制切換功能。
煤礦三相電源為6000V交流電，考慮到高壓電機(jī)變頻控制一次性投資大，安全性差等原因。采用增容型高-低壓變頻調(diào)速集成裝置，用降壓變壓器把6000V電壓降為500V，再采用電壓等級為380V~500V的芬蘭偉肯Vacon變頻器進(jìn)行變頻控制。電機(jī)也由高壓6000V電機(jī)換成低壓500V電機(jī)，降低了投資，提高了系統(tǒng)的可靠性。
芬蘭偉肯Vacon變頻器具有可編程功能。Vacon編程工具Vacon NC1131-3 Engineering是一個(gè)符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的圖形化的編程工具，它可以用來設(shè)計(jì)Vacon NX特殊的控制邏輯和參數(shù)。它包含了基本功能模塊和高級功能模塊，如各種濾波器，PID控制器和積分器。NC1131-3可以創(chuàng)建參數(shù)，故障信息和其他與應(yīng)用相關(guān)的特性。
根據(jù)控制要求采用偉肯Vacon變頻器的PID控制應(yīng)用宏，PID控制應(yīng)用宏具有兩地控制功能，分別為源A和源B控制，其中源Ａ控制為PID控制方式，源B控制為直接頻率控制，偉肯變頻器控制端子接線圖如圖2。
變頻器輸入信號有：
P1 ： 源B電位器頻率給定值。
AI2： 源A PID控制 壓力反饋實(shí)際值。
K1 ： 源A電機(jī)起動／停止。
K2 ： 正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)。
K3 ：故障復(fù)位。
K4 ：源B直接頻率起動／停止
K5 ：正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)。
K6 ：控制源A／B選擇端子。
變頻器輸入信號有：
模擬量AO1：電機(jī)轉(zhuǎn)速。
繼電器RO1：變頻器故障。
繼電器RO2：變頻器運(yùn)行。
開關(guān)K6閉合時(shí)源A控制有效，控制方式為PID控制，給定值為電位器P1的設(shè)定值A(chǔ)I1，實(shí)際風(fēng)壓反饋值為AI2，變頻器的起動、停止和正反轉(zhuǎn)控制由K1、K2控制，PID控制框圖如圖3。通過PID控制使得礦井風(fēng)壓保持為風(fēng)壓設(shè)定值。
開關(guān)K6斷開時(shí)源Ｂ控制有效，控制方式為直接頻率控制，給定值為電位器P1的設(shè)定值A(chǔ)I1，實(shí)際風(fēng)壓反饋值用于顯示，變頻器的起動、停止和正反轉(zhuǎn)控制由K4、K5控制，根據(jù)風(fēng)壓設(shè)定值控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使得礦井風(fēng)壓達(dá)到要求值。
開關(guān)K3用于變頻器故障復(fù)位。模擬量輸出AO1設(shè)定為電機(jī)轉(zhuǎn)速，送給控制盤上的轉(zhuǎn)速表顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，繼電器RO1用于變頻器故障指示，繼電器RO2用于變頻器運(yùn)行指示。
4. 現(xiàn)場主通風(fēng)機(jī)變頻裝置實(shí)際工況
（一）6月20日主通風(fēng)機(jī)一號二號及變頻裝置開始正式運(yùn)行。
下述數(shù)據(jù)是8月24日取得的現(xiàn)場一號風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)：
1．靜壓：629Pa
2．風(fēng)量：70m3/s
3．電動機(jī)的運(yùn)行溫度為 46 ℃（8月下旬氣溫28℃）
4．變壓器的運(yùn)行溫度為35 ℃（8月下旬氣溫28℃）
5．運(yùn)行頻率：42.9Hz（513rpm）
6．運(yùn)行電流：242A（1#電機(jī)：130A;2#電機(jī)：113A）
７. 高壓側(cè)電壓：6300V;高壓側(cè)電流：7.7A（A相）9.2A(C相)
8．有功：80KVA
9．無功：21KVA
10．功率因數(shù)：0.96
11．主通風(fēng)機(jī)一號二號8月份用電量統(tǒng)計(jì)（電業(yè)局）：
（二） 9月23日八連城礦二號風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)
1．靜壓：559Pa
2．風(fēng)量：74.9m3/s
3．電動機(jī)的運(yùn)行溫度為 46 ℃（8月下旬氣溫28℃）
4．變壓器的運(yùn)行溫度為38 ℃
5．運(yùn)行頻率：32.06Hz（513rpm）
6．運(yùn)行電流：240A
7.轉(zhuǎn)矩:15%
8.功率:9.7%
９. 高壓側(cè)電壓：6300V;高壓側(cè)電流：6.3A
10．有功：62.72KVA
１１．無功：16.83KVA
１２．功率因數(shù)：0.96
增容型高—低壓變頻調(diào)速集成裝置與其他變頻調(diào)速方法相比具有：
1．高效率。本變頻系統(tǒng)效率大于96%。其中變頻器的額定效率為98%左右，節(jié)能型變壓器的額定效率為98.8%左右，電動機(jī)因放大了線規(guī)從而降低了電流密度和銅損，其額定效率可提高了0.5～5個(gè)百分點(diǎn)，本項(xiàng)目電動機(jī)效率即提高了5個(gè)百分點(diǎn)。
2．高可靠性。一是采用無油枕全密封變壓器或者干式變壓器均系免維護(hù)類型。二是選用技術(shù)成熟的低壓大容量變頻器安全可靠，使用壽命長達(dá)70000小時(shí)。其中易損件之一內(nèi)冷卻風(fēng)扇的使用壽命為8年（其他變頻器說明書標(biāo)注2～3年），易損件之二電解電容器的使用壽命為15年（其他變頻器說明書標(biāo)注4～5年）。三是利用高等級絕緣的電動機(jī)運(yùn)行在低壓變頻工況下，絕緣壽命可謂無限長。四是備有變頻/工頻切換開關(guān)，萬一變頻器發(fā)生故障還可及時(shí)切換到工頻啟動—運(yùn)行模式，即使是工頻運(yùn)行，電動機(jī)仍可實(shí)現(xiàn)增容。
3．低壓安全。由于變壓器將高/低壓隔離，從變壓器的輸出側(cè)→變頻器→電動機(jī)的運(yùn)行電壓只有幾百伏，頗有安全感，便于操作和維護(hù)。同時(shí)消除了電動機(jī)的高壓電暈和變頻器的高壓吸塵弊端。
4．省工期。本變壓器的制造周期只要半月；變頻器的供貨周期只需1～2月；高壓電動機(jī)增容改壓約1個(gè)月左右；控制柜加工不超過1周；安裝（包括敷設(shè)低壓動力電纜和控制屏蔽電纜，無須重打地基和更換對輪）約1周左右，當(dāng)天調(diào)試當(dāng)天投運(yùn)。總施工期（即見效期）僅為1～3月。
5．省投資。由于該裝置成本低，又增容，見效快，故投資回收期一般約為1～2年左右。本項(xiàng)目的投資回收期約為2年之內(nèi)。
6．省能源。節(jié)電率一般為20%～50%，本主扇對旋風(fēng)機(jī)目前實(shí)測節(jié)電率為 40%以上。
7．省原材料。在同等原材料和元器件配置前提下，本方案能提高電動機(jī)的額定功率1～3個(gè)等級，提高變頻器的額定容量0.5～2個(gè)功率等級；在同等功率前提下，增容變頻方案可節(jié)省制造高壓電動機(jī)的鋼材10%～20%，節(jié)約高壓絕緣材料40%～60%。以本項(xiàng)目4臺電動機(jī)就是用250kW的原材料制造出280kW電動機(jī)。
全系統(tǒng)操作簡便，設(shè)備維護(hù)量小，有效減低了風(fēng)機(jī)噪聲，減小了電機(jī)起停過程對電網(wǎng)和風(fēng)機(jī)的機(jī)械沖擊，延長設(shè)備的使用壽命，提高了效益。此種方案在礦業(yè)風(fēng)機(jī)控制具有的推廣運(yùn)用前景。
參考文獻(xiàn)：
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作者簡介：趙培廣，男,1960.2, 1986年畢業(yè)于吉林市職工大學(xué)“機(jī)械制造工藝專業(yè)”.畢業(yè)后從事煤礦機(jī)電運(yùn)輸技術(shù)管理工作,先后在舒蘭礦物局豐廣煤礦機(jī)電科擔(dān)任技術(shù)員、車間主任工作;1992年調(diào)到琿春礦物局城西煤礦擔(dān)任機(jī)電科副科長、科長;三道嶺煤礦擔(dān)任機(jī)電副總、機(jī)電礦長;城西煤礦機(jī)電礦長,八連城煤礦機(jī)電礦長,負(fù)責(zé)全礦的機(jī)電運(yùn)輸管理工作.